俄乌冲突对提升无人机充电系统智能抗毁性的启示

张姝 王培懿

研究背景

2022年2月24日，俄罗斯总统普京宣布授权俄军开展对乌克兰的“特别军事行为”。俄乌双方围绕乌克兰境内重要城市和军事要地展开激烈争夺。俄乌冲突期间，双方使用了大量新型的无人机开展了高强度攻防对抗，如乌克兰军队使用“旗手”TB-2无人机攻击俄军车队，俄军使用了“猎户座”无人机投放导弹打击乌军指挥所。可见，俄乌冲突中无人机在侦察与目标指示、精确打击与控空优势、通信链与指挥控制等方面发挥了重要作用。

在无人机作战中，其飞行和续航能力至关重要。而动力系统是无人机的心脏，直接决定了无人机可执行任务的时间。与传统燃料推进系统相比，电力系统具有安静、环保等重要优势，高功率密度、能量密度和循环寿命的电动无人机是未来发展的必然趋势。当前，无人机电力系统可分为燃料电池系统、锂二次电池系统以及混合电池体系，主要依赖于电力供电系统为无人机进行充电服务。但是，本次俄乌冲突爆发后，由于受到俄罗斯的导弹袭击影响乌克兰近一半的能源系统面临瘫痪。乌克兰电力基础设备破坏后，基辅许多地区断水断电，无法为无人机提供持续稳定的电力供应。因此，为了给电动无人机提供可靠的充电电源，提高城市供电系统的智能化、自动化以及面临极端灾害情况下的持续供电能力显得尤为重要。

为了提升无人机充电系统的抗灾能力，提高城市电力系统的韧性是解决极端灾害下抗毁的关键。电力系统韧性是指系统对扰动的预防抵抗能力，灾害过程中的吸收响应能力以及系统的快速恢复能力。有学者建立了致灾因子与故障概率之间的关系模型，提出了一种考虑气象灾害时空特性的输电系统弹性评估方法。韧性电力系统关注极端自然灾害和极端人为攻击对电力系统最后一道防线的破坏以致造成大面积停电问题，偏向于小概率、大范围、长过程事件对电力基础设施或者网络通道造成损坏后的恢复措施。目前，国内外针对极端天气下的配电网韧性提高措施已展开了广泛的研究，这些韧性提高措施可以分为三种运行状态，即规划措施（如线路强化、植被管理等）、灾前预防措施（如分布式发电机、人员等提前调配）、灾中/后恢复措施（如拓扑切换、利用新能源发电、储能装置、微电网等）。这些措施有效地提高了配电网灾前的防御力，降低了网内关键负载或发电单元受损的概率，并且显著提高了灾后关键负载恢复的速度和供电的质量。而针对人为战争等因素引发的极端灾害导致的供电瘫痪，目前还鲜有文献进行相关电力保供措施的报道。

综上所述，电动无人机的续航能力与充电系统的可靠性直接相关，而极端灾害的不确定性严重威胁着供电的安全、可靠、稳定。本文首先分别从极端自然灾害、极端人为灾害的角度下简要叙述其对供电系统的影响；由此延伸出为解决该问题应着重提升供电系统韧性的关键技术；最后，为应对外部不可抗的紧急灾害，对未来国防供电系统建设进行了展望。

极端灾害对无人机充电系统的影响

极端自然灾害对供电系统的影响

目前电动无人机的电源主要依赖于城市配电系统进行充电。随着能源转型的不断推进，风电、光伏等清洁能源高比例接入电网，新能源的发电功率受到自然灾害的影响越发突出。其发电出力随天气变化而波动，极端气候条件下出力更是“大起大落”。因此，供电系统一旦发生大范围停电事故，将连锁产生诸多次生和衍生灾害事件，会产生巨大的直接和间接损失。

极端冰雪自然灾害下输电线路严重覆冰和积雪会引起绝缘子闪络、线路跳闸、断线、倒塔、导线舞动和通信中断等事故。极端暴雨灾害会淹没配、变电设备直接导致故障，极端暴雨时温度和湿度等环境剧烈变化，配电设备会出现受潮凝露，改变了配电设备故障概率。2021年2月18日，美国得州暴风雪灾情严重造成交通中断与电网瘫痪，市民生活受到严重影响。2021年7月，河南发生特大暴雨，降雨量高达202mm/ h，造成郑州等城市严重内涝，40多所35kV及以上变电站、1000多条10kV及以上配电线路停运。极端地震灾害发生后，交通网与配电网都将受到不同程度的损坏，如架空电线杆倒塌造成配电网线路损坏，道路损坏造成交通网受损从而影响抢修资源的调度等。2008年5月12日，我国四川省汶川县发生8.0级特大地震，使得川西北电网瘫痪，四川省全网瞬时损失负荷达31.8%，造成了绵阳、广元、巴中等多地区停电。

极端人为灾害对供电系统的影响

人类对电力的依赖越来越大，在现代战争中，曾出现一国为了获得战争的胜利，采用非常手段破坏另一个国家的电力系统，一旦国家的电力系统遭受到攻击，将带来毁灭性打击。因此，电力系统的物理攻击和网络攻击成为了战争中攻击的高价值目标。

1991年海湾战争中，美国对伊拉克的供电设施实施空袭，使其85%的电力供应陷入瘫痪。1999年，北约对南联盟使用空袭，炸毁了大量的电力供应设施和交通枢纽。2019年3月7日，委内瑞拉电力系统遭受网络攻击，导致全国交通瘫痪、医院手术中断、所有通讯线路中断。3月8日和3月9日在供电恢复的过程中，该国再次遭受持续性的电磁攻击。2022年10月，俄军的打击目标转为乌克兰的战争潜力—基础设施，首要目标就是其输变电系统，随着而来的严冬，乌克兰电力设施的瘫痪，加速了其在战场上的溃败速度。

极端灾害下无人机充电系统抗毁性智能提升技术

供电系统抗毁性智能评估技术

抗毁性评估是系统风险和薄弱环节识别的重要方法，评估结果可用于支撑电网运行决策和投资建设。有效的电力系统抗毁性评估框架应致力于将破坏性事件发生的可能性以及影响降至最低，并为资源的部署调度提供正确的指导，以便在事件发生时高效地响应和恢复。目前电力系统抗毁性评估的方法有两类，一类是定性法包括问卷调查法、矩阵分析法、层次分析法。另一类是定量评估包括統计法、推理分析法、仿真模拟法。由于定性评估对评价者有一定依赖性，较为主观，而在定量评估中仿真模拟法很容易与场景结合，易于理解和接受，基于仿真模拟法的电力系统评估框架具有一定的优势，包括严重灾害下故障场景生成、系统响应与恢复模型构建、抗毁性指标体系构建、评估结果应用四个部分。

构建严重灾害模型，需要构建元件故障概率与致灾因子强度之间函数关系模型，最后将灾害模型与脆弱性模型结合，通过随机抽样生成严重灾害中电力系统元件故障场景。系统响应模型用于分析极端事件和控制措施作用下系统结构或状态变化，系统恢复模型用于分析运行控制、应急抢修等措施作用下系统恢复过程。抗毁性指标体系是评价一个系统韧性水平的准绳，指标体系构建包括指标划分和指标度量两个方面，但目前系统抗毁性评估大多从技术维度出发，侧重于评价系统本身结构抗毁性或功能抗毁性，很少从经济、社会维度关注抗毁性不足带来的潜在性或间接性后果。抗毁性提升方案的决策者除了关心单一提升措施可行性和有效性外，还需要考虑其经济性，基于评估结果的抗毁性提升方案制定为多目标、多决策变量的智能优化问题。

能源互联网的多能灵活互补技术

从城市发展的角度城市能源互联网对于实现区域内单一能源的纵向贯通和多种能源之间的横向融合具有重要意义。从能源利用的角度，城市能源互联网使得城市内多样化能源实现了物理上的互联互通和能量上的融合互济，大大提高了区域能源的灵活性和利用效率。

在城市能源互联网中各种形式的能源通过供冷系统、热力系统、电力系统、燃料系统以及新型的管理模式，将各种多样化的能源进行纵向贯通和横向融合，形成一个能量互补和信息互联互通的区域能源平台。其中，供冷系统由供冷管网组成，与电—冷转化设备、地源热泵、冷热电联供设备和储冷装置相连接，满足用户对供冷的需求；热力系统由热力管网组成，与冷热电联供机组、光热机组、锅炉以及储热装置相连接，以实现对热能的统一汇集与调配；电力系统连接各种发电机组及电能转化装置，以实现电能的传输、汇集、分配和消费，并通过各种转化装置实现电能和其他种类能源的转换；燃料系统包含石油、天然气等燃料的供应管网，是城市能源互联网的重要组成部分，通过燃油汽车和燃气汽车与交通系统进行互联，并分别通过燃气机组和燃气锅炉与电力系统和热力系统进行互联；交通系统由各种交通形式交通混合组成的系统，通过电动汽车和电气化轨道交通与电力系统互联，通过燃油汽车和燃气汽车与燃料系统进行互联。

城市能源互联网技术包含单一能源系统内部的运行和多种能源之间的转化两部分。城市配电系统内部优化包括分布式电源灵活接入技术、交直流混合配电网技术、混合储能技术、柔性组网技术、多样化负荷预测技术、源—网—荷协调优化控制技术；城市配电系统与其他能源系统转化技术包括多样化能源混合建模技术、多类型能源转换技术、多能源站布局和网络混合规划技术、分层分区分类型能源优化控制技术、城市能源互联网运行安全和防御技术；配电系统建设支撑技术包括大数据技术和云计算、区块链技术、多元异构信息融合技术、标准化技术、5G技术等。

供电系统灵活性资源智能优化技术

城市电网的源侧、网侧以及荷侧广泛分布着大量灵活性资源，一方面能提高配电网正常运行条件下的可靠性和经济性，另一方面能通过相互协同减少极端事件下的配电网负荷损失。源侧的灵活性资源主要有分布式电源、微网以及可移动发电资源。源侧的灵活性资源利用率高、安装灵活、供电方便，在时间上具有出力可调整的时间灵活性，在空间上具有接入位置可调整的空间灵活性，具有时—空协同配合特性。在复杂群发故障的情况下具有为关键负荷持续供电的能力，可以减少停电后的经济损失和社会影响，在极端事件发生的灾前—灾中—灾后三个阶段根据不同灾害的差异化特性调整恢复方法，提升城市电网的能量运行分配能力和经济运行水平，加速关键负荷恢复过程。网侧灵活资源包括部署在配电网的自动开关、手动开关，以及线路维修资源。开关操作通过改变配电网拓扑结构，一方面可以在灾前做做预先调整，以降低灾害对配电网的影响，另一方面在灾后可以根据发电资源和网架情况对负荷恢复的策略进行动态调整，从而最大限度提高持续供电能力。网侧的灵活源是通过改变配电网拓扑，优化电能流向，使极端灾害事件后有限的发电资源能够更有效地供给关键负荷，从而提高配电网恢复力。

此外，荷侧灵活资源也可以提升配电网的弹性，减小重要负荷的失电率和失电时间。荷侧的灵活性资源主要包括又需求侧响应带来的可控柔性负荷以及用户对于停电时间的容忍度。可控柔性负荷区别于传统的刚性负荷，具备柔性调控能力，可以根据需求改变用电行为。柔性负荷在灾害发生前可以作为负荷正常运行，在灾中和灾后可以配合源侧以及网侧资源将紧缺的电能优先提供给关键负荷，电动汽车、储能等双向能量交换型负荷还可以作为电源为配电网输送电能。用户对于用电量需求的差异性可以为配电网故障恢复带来时间和空间上的灵活性。同样，用户对于停电时间的接受度不同也会带来灵活性。在极端事件发生后，负荷侧的灵活性可以将紧缺的发电资源进行更有效的分配，从而提高关键负荷的持续供电能力，并配合故障恢复过程中的运行方式进行多阶段的动态调整。

供电系统分布式微电网供能技术

极端灾害无疑会造成某些地区的停电事故发生，此时最重要的任务就是尽快恢复电力系统中的关键负荷，最大限度降低客户的经济损失与不良影响。传统的配电网恢复方法是通过改变配电网的拓扑结构来恢复受灾停电的负载。然而，当面对极端灾害时，区域变电站可能会出现故障，以致来自主网的电能无法传输到配电网中；同时配电网内的部分关键设施可能被破坏。有学者基于体系架构提出了一种新的多微电网两阶段能量管理调度方法。通过充分利用系统内的各种发电资源，实现多微电网系统与主网断开连接情况下的供电最大化。

微电网与传统电网的主要区别是：在配电网层面上，微电网内添加了一些灵活的电力组件（如分布式发电单元），从而其操作会更加灵活；并且可以减少由于集中发电、长距离输电导致的配电网脆弱性。考虑到极端灾害来临时，个别微电网可能会遭到破坏，或内部的储能结构无法供应所有的负载的情况，研究者提出了采用让微电网之间分享发电和蓄电容量，即一种互补的方法由于储能系统（energy storage system）利用能源容量和充放电能力的不同，它可以通过长期的应用（如减少网络流量拥挤或提高孤立地区的供电安全度）提高配网的韧性。有学者研究了大量的分布式社区储能对电力系统的韧性的影响，建立光储和风储系统模型和负荷需求响应模型，考虑网络重构中的网损成本，以负荷恢复总价值为最大目标，建立了源网荷储协調优化的配电网韧性提升策略。由于其内部含有大量的分布式能源，其操作十分灵活，极端灾害下发生的时间地点不确定性，微电网被破坏的几率很低。然而单一微电网的能源处理能力有限，电力传输可由配电操作系统进行调控，操作系统基于微电网群的架构，指导其在集群中的参与和互联，并确定最佳的电力传输协调运作，加快电力系统的恢复。

未来城市国防供电系统建设的展望

极端灾害下平—急两用供电设备的建设

目前地面电网主要供电服务于民用需求，现有电厂、变电站、配变台区等电能输送、装换的环节均仅考虑民用负载。因此，导致极端灾害下现有的供能方式难以支撑高弹性抗毁伤技术的落地实施，因此针对未来可能出现的极端灾害，需要研究城市电网平—急两用的供电设备。

目前，具备高抗毁伤的装备通常是高功率短时冲击负荷，在接入电网后，功率变化幅度大，这特种设备的大规模接入可能带来严重的公网安全问题。因此，针对高抗毁伤的装备接入城市电网需要开展的技术：（1）量化电网接口位置选择指标以及接入容量限制。依据特种装备系统的组成、工作模式、拓扑结构、供电技术条件和实测数据，提出一种描述特种装备冲击特性的通用拓扑模型。研究城市电网系统的拓扑结构和运行模式，建立城市电网各部分的动态模型，然后研究考虑特种装备支撑能力评估的自适应寻优方法，提高评估的准确性和快速性。（2）高抗毁伤冲击性地面特种装备接入城市电网时还需要研发低压配电网络的短时大功率脉冲负载供电装置，研究脉冲能量的精准控制、波形的调节方案等，解决地面电源供电与装备接口的转换问题。（3）研发规模化特种装备接入城市地面电网的优化决策软件。构建时空数据管理系统、图数据库等模块实现互动式的可视化界面设计。

极端灾害下的分布式微能网的建设

目前我国供电模式是集中供电模式，它是利用单一大电源对某一地区或者某一电网进行供电，虽然可以节省电力传输过程中的损耗，也容易管理，提高效益但是容易受到电源端故障影响。这种供电模式是集中“自上而下”供电，依赖主干网，关键环节少，攻击目标强。如果采用分散式的微能网，可充分发挥各种能源的产能特征、多能互补、梯级利用等分布式供能优势，形成不依赖主网的灵活性供能架构。

微能网是一个集成能源互联、转化、耦合、存储等功能于一体的小型综合能源供应系统。微能网以配电、配气、供热/冷等多种供能系统耦合互联形成，与外部能源集线器之间实现能源的多能互补和就地消纳。针对用户用能的需求特点和本地资源条件，微能网可实现分布式能源生产的互补、能源梯级利用和高效运行。针对极端灾害事件下，采用分布式微能网作为新型供电模式，以分散方式在供电区域附近布置供电、供气以及供热/冷等多种形式的供能网络，也可以就近区域进行微能网组网，形成微能网群。微能网群主要具备以下优势：（1）通过区域内微能网及供能、储能、用能设备之间的能源协调控制和能源转化互供，微能网群能够更有效地应对可再生能源和负荷的不确定性、单一微能网备用容量不足等各种复杂工况，为区域提供紧急能源支撑，提高微能网解决能源短缺问题的能力。（2）微能网群能更大限度地提升微能网群内分布式供能系统和分布式储能单元的能效，增强区域整体的供能可靠性、灵活性与运行稳定性。

极端灾害下电力物理信息系统攻防智能建设

现有城市供电系统已发展成电力网和信息网并重且紧密融合而成的系统。这种将电力网和对信息网结合的这种新型电力系统架构统称之为电力信息物理系统。除了单一网络的抗毁性提升外，电力网和信息网的交互机理、建立电力信息物理相依网络模型、辨识信息物理系统关键环节、研究电力信息物理系统的级联失效过程、抗毁性、攻防博弈以及鲁棒性，对保障大型供电系统的安全具有重要意义。

电力信息物理系统是一次电网与信息系统深度融合而成的二元耦合系统。目前，小世界网络模型和无标度网络模型的提出推动了复杂网络理论的进一步发展，可以通过使用复杂网络模型来分析电力系统的结构脆弱性。其次，电网重要节点的受损将会导致电网连通性下降，发生在重要节点上严重灾害会引发级联故障，导致系统失稳。因此，信息物理系统中关键节点的辨识是提高大型城市供电系统的基础。最后，对城市电力系统物理系统的攻防博弈进行研究，其一般思路是，首先对电力信息物理系统攻防行为进行建模，确定攻击者和防御者的资源，给出相应的行动策略；求解均衡点，得到最优的攻防策略。从攻击者来说，最终的目标是对电力系統造成的破坏性最大；对防御者来说，目标是通过合理的分配防御资源，使电力系统受到的损失达到最小。通过对极端灾害下城市电力物理信息系统攻防智能建设，可以建立城市供电系统关键节点重要度评价体系，并在仿真中测试电力物理信息系统的抗毁性，并通过求解攻防鲁棒优化模型，提升防御攻击博弈下的鲁棒性。

结论

无人机的动力系统决定了续航时间，也是发挥无人机在战场作用的重要关键指标依据。目前电动无人机主要依赖于供电系统进行电源的充电，但是由于极端灾害对供电系统的安全威胁，导致无人机充电系统的可靠稳定面临巨大挑战。为了提升供电系统的抗毁性，本文首先总结了极端灾害对供电系统的影响，并对现有提升电力系统韧性的智能技术进行了详细分析。针对俄乌冲突等战争事件，为了保障供电系统的局部正常运行，论文从平-急两用供电设备研发、分布式微能网构架、电力物理信息系统智能攻防等提出了国防供电系统愿景的基本技术内涵。通过对正常、极端等工况下供电系统优化部署以及智能技术提升，能够在极端灾害面前最小化负荷的损失，为电动无人机等电动力作战装备提供持续的电力供应。